21 第二十三章 直流电机的共同问题.docx

第1页：电枢绕组的一般知识：叠绕组与波绕组

电枢绕组是直流电机的核心部件，其作用是产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能量转换。它是由结构形状相同的绕组元件按一定规律联接起来构成的。

元件的两个有效边

元件放在槽中能与磁场相互作用产生转矩和电动势的切割磁力线的有效边称为切割边；两端部仅起连接作用。

单匝和多匝元件

每一个元件可能是多匝的也可能是单匝的。元件嵌放在槽内，能切割磁力线产生电动势和电磁转矩的有效边叫切割边。

双层绕组

每个元件的两个切割边分别放在两个不同的槽内，一个在上层、一个在下层。

实槽与虚槽

每个元件的两个边分别放在两个不同的槽内，一个在上层一个在下层，所以每个槽分上下两层，每层放若干个元件边。

第2页：实槽、虚槽与各种节距

实槽与虚槽

电枢上实际的槽叫实槽。设实槽数为 Q、虚槽数为 Qμ，每个虚槽的上层有一个元件边、下层也有一个元件边，因为元件边数等于 2S（S 为元件数），而虚槽数等于 Qμ，一个虚槽里上下两层放两个元件边，故 Qμ=S。为了减少铁心材料并方便制造，往往在一个实槽中放若干个虚槽，有 Qμ=μ·Q，μ 为虚槽数即每个实槽包含的虚槽数。

第一节距 y1

一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离，y1=Qμ/(2p)±ε，一般取接近整槽数的值使其接近一个极距 τ。

第二节距 y2

连至同一个换相片的两个有效边之间的距离。

合成节距 y 与换向节距 yk

y 是相邻两个元件对应边的距离；yk 是同一元件两端接在换向器上的两个换向片之间的距离，一般 yk=y。单叠绕组 y=1，单波绕组 y=(K∓1)/p。

第3页：单叠绕组展开图

举例：一台直流电机 2p=4、S=K=Qμ=16，试画出左行单叠绕组展开图。

• 计算数据：y=yk=1；y1=Qμ/(2p)±ε=16/4±0=4；y2=y1−y=4−1=3；
• 画元件：把下层边的引出端与它相隔 yk=1 的换向片相连，把上层边的引出端与它相隔 yk=1 的换向片相连；
• 放置磁极：磁极宽度约为 0.6τ~0.7τ，N、S 极交替出现，均匀分布在圆周上；
• 放置电刷：电刷放置在磁极轴线下的换向片上，即“电刷放在几何中性线上”，电刷数等于极数，正负相间；
• 电刷的极性：把处在 N 极下的导体设为向上，则处在 S 极下的导体均为向下，画出电刷的极性。

第4页：单叠绕组结论与单波绕组

单叠绕组的电路图与磁极

由展开图可见，上层边处于同一磁极下的元件串起来构成一条支路：上层边在 N 极下的元件构成一条支路，电流由元件流向电刷，构成一条并联支路；上层边在 S 极下的元件构成一条并联支路。由于正、负电刷间的元件构成支路，所以并联支路对数 a 等于极对数 p，即 a=p，故 2a=2p。

结论

单叠绕组并联支路数等于极数，即 2a=2p；电刷数等于极数，正负相间；电刷放在几何中性线上。

单波绕组

其特点是每一个元件的两端相距约为 2τ 或更远，串联两个元件后回到原出发点的相邻位置，把同极性下的元件串成一条支路。单波绕组的并联支路数与极数无关，恒有 2a=2，即只有两条并联支路，所以只须装一对电刷。

第5页：直流电机的空载磁场与磁化曲线

空载磁场：直流电机空载（发电机有励磁、电枢电流为零）时气隙中的磁场由励磁磁动势单独建立，称空载磁场或主磁场。空载时主磁极的磁通分两部分：大部分通过气隙与电枢绕组交链，产生感应电动势和电磁转矩，称为主磁通 Φ0；少部分不与电枢绕组交链，仅与励磁绕组自身交链，称漏磁通 ΦL，一般不参加机电能量转换，约占主磁通的 15%~20%。

由于电机磁路对称，主磁通的磁路为：主磁极 N →气隙→电枢齿→电枢轭→相邻电枢齿→气隙→主磁极 S →定子磁轭→回到主磁极 N。

磁化曲线

主磁通 Φ0 与励磁磁动势 Ff 的关系 Φ0=f(Ff) 称为磁化曲线。因铁磁材料有饱和现象，磁化曲线是非线性的。设计电机时为了充分利用铁磁材料，额定工作点一般选在磁化曲线的膝部附近。

第6页：空载时的气隙磁密与电枢磁动势

气隙磁密沿电枢表面的分布：在主磁极极靴宽度范围内气隙磁密近似为常数，在极靴边缘磁密逐渐减小，在几何中性线附近磁密接近于零。极靴宽度一般为 0.6τ~0.7τ。

电枢磁动势：电机带负载后电枢绕组中有电流流过，产生电枢磁动势，必然对气隙磁场产生影响，称为电枢反应。分析电枢磁动势时假定：电刷放在几何中性线上，元件在几何中性线上换向，磁路不饱和。

第7页：电刷在几何中性线时的电枢磁动势

因为电刷是电枢表面电流分布的分界线，在电刷轴线两侧，电枢导体中的电流方向相反。若电刷放在几何中性线上，电枢磁动势的轴线也在几何中性线上，与主磁极轴线正交，故称交轴电枢磁动势。

其波形：在几何中性线附近电枢磁动势达最大值 Fa=q·(N/2)（安匝/极），在主磁极轴线处为零，沿电枢表面呈三角形分布。

由于电刷两侧电流方向相反，电枢磁动势在半个极距内为去磁、另半个极距内为增磁，对一个磁极而言：一半极面下电枢磁动势对主磁场起去磁作用，另一半起增磁作用，总的励磁磁动势不变，但由于磁路饱和，去磁作用大于增磁作用，使每极磁通略有减少。

第8页：电刷不在几何中性线时的电枢反应

若电刷不在几何中性线上，则电刷轴线和几何中性线相差一个角度（几何角），此时电枢磁动势可分解为交轴分量和直轴分量。电刷不在几何中性线上时，电枢磁动势除交轴分量外还出现直轴分量：

• 发电机：电刷顺转向移动时直轴电枢反应起去磁作用，逆转向移动时起增磁作用；
• 电动机：电刷顺转向移动时直轴电枢反应起增磁作用，逆转向移动时起去磁作用。

把电刷从几何中性线移开不大距离，可以改善换向，但同时会引起直轴电枢反应，影响主磁通大小，一般只在小容量电机中采用。

电枢反应的影响：①使气隙磁场发生畸变，物理中性线偏离几何中性线；②磁路饱和时使每极磁通略有减少（去磁作用）；③使换向片间的电压分布不均匀，可能引起换向火花。

第9页：电枢绕组的感应电动势

电枢绕组的感应电动势是电刷两端的电动势，等于一条支路中各串联元件电动势之和。设电枢绕组总导体数为 N、并联支路数为 2a，则每条支路的导体数为 N/(2a)。

Ea=Σ(B·l·v)=N/(2a)·Bav·l·v=N/(2a)·(Φ/(τ·l))·l·(2pτn/60)=(pN/(60a))·Φ·n=Ce·Φ·n

其中 Ce=pN/(60a) 为电动势常数，Φ 为每极磁通（Wb），n 为转速（r/min），Ea 单位为 V。

直流发电机：Ea>U，Ea=U+Ia·Ra；直流电动机：Ea<U，U=Ea+Ia·Ra，Ea 为反电动势。

第10页：直流电机的电磁转矩

电枢绕组中通有电枢电流 Ia，电枢导体在气隙磁场中受力产生电磁转矩。设电枢总导体数为 N、并联支路数为 2a，则每根导体中的电流为 Ia/(2a)。

T=Σ(f·D/2)=N·Bav·l·(Ia/(2a))·(D/2)=(pN/(2πa))·Φ·Ia=CT·Φ·Ia

其中 CT=pN/(2πa)=9.55Ce 为转矩常数，Φ 为每极磁通（Wb），Ia 为电枢电流（A），T 单位为 N·m。

两种运行状态

• 发电机：电磁转矩为制动性质，与原动机拖动转矩方向相反；
• 电动机：电磁转矩为驱动性质，带动生产机械旋转。